奔馳4缸發(fā)動機M651簡介(上)

◆文/福建 林宇清

新一代奔馳4缸柴油發(fā)動機M651是第二代共軌直接噴射系統(tǒng)，如圖1所示該款發(fā)動機的輸出功率為150kW，最大輸出扭矩為500Nm，每百公里耗油5.4L柴油，排放為2?143cm3，且達到歐5標準。

圖1 M651發(fā)動機

這一全新雙渦輪增壓發(fā)動機在提高性能的同時，極大減少了燃油消耗和尾氣排放，使其不斷滿足市場需求和法規(guī)要求。該款發(fā)動機與上一代M646發(fā)動機相比，特性、扭矩和功率如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 特性數(shù)據(jù)

圖3 M646扭矩和功率曲線

圖4 M651扭矩和功率曲線

本篇文章講解奔馳4缸發(fā)動機M651的技術(shù)亮點，即各系統(tǒng)及其功能。為便于了解，按發(fā)動機的組成和工作原理，將其分為機械系統(tǒng)、即時啟動系統(tǒng)、燃油供應系統(tǒng)、渦輪增壓、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機潤滑及發(fā)動機控制八個系統(tǒng)進行逐一介紹。

一、機械系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括了發(fā)動機的主要機械部件和機構(gòu)，如汽缸蓋、凸輪軸調(diào)節(jié)、曲軸箱等。

1.汽缸蓋：如圖5、圖6所示，汽缸蓋由高強度鋁制成，裝備有兩根凸輪軸和四個氣門。此外，它還具有最大點火壓力200bar(上一代為160bar，1bar=105Pa)、切向和螺旋式進氣道及直徑19mm的壓電式噴油嘴的新特性。

圖6 汽缸蓋剖視

2.凸輪軸機構(gòu)：如圖7所示，凸輪軸由正時鏈驅(qū)動，驅(qū)動齒輪通過中央螺絲安裝在凸輪軸上，螺紋采用逆時針方向；傳感器輪組合了霍爾傳感器，固定在排氣凸輪軸上，監(jiān)測凸輪軸的位置和轉(zhuǎn)速。

圖7 凸輪軸

3.曲軸箱：如圖8所示，M651的曲軸箱是在優(yōu)化空間特性的概念上設(shè)計的，具有與上一代相比更短4cm的箱體、通過在輸出側(cè)固定驅(qū)動齒輪和凸輪軸驅(qū)動來改進行人安全系統(tǒng)及通用性的正時箱蓋適配于各種變速箱模式的優(yōu)點；如圖9所示，油底殼采用兩塊式設(shè)計，較低部分由塑料制成，并優(yōu)化了運轉(zhuǎn)噪音。

圖8 曲軸箱

圖9 油底殼

4.曲軸連桿機構(gòu)：如圖10所示，曲軸總成與老款發(fā)動機有所不同，新款發(fā)動機鍛造的曲軸帶有8個平衡塊，由5個軸承支撐，有效減少振動、連桿是由高強度合金鋼鍛造而成的，并優(yōu)化了重量、兩根平衡軸集成在主軸承橋內(nèi)，并固定在3個滾動軸承上，確保發(fā)動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

圖10 曲軸總成

5.齒輪驅(qū)動：M651最重要的創(chuàng)新之一是齒輪驅(qū)動在輸出側(cè)組合鏈條驅(qū)動，蘭徹斯特平衡軸、高壓泵、機油泵及真空泵都由新的齒輪系統(tǒng)驅(qū)動，如圖11所示。

圖11 齒輪傳動

6.皮帶驅(qū)動：皮帶傳動采用V型低保養(yǎng)的單皮帶系統(tǒng)設(shè)計，驅(qū)動助力泵、制冷壓縮機、發(fā)電機及冷卻液泵等部件，如圖12所示。

二、即時啟動系統(tǒng)

柴油機與汽油發(fā)動機不同，柴油機無點火系統(tǒng)，為確保在冷卻液未預熱至較高溫度下發(fā)動機能夠立即啟動，如圖13所示，由4個加熱塞和一個加熱輸出級組成的即時啟動系統(tǒng)用于提高冷啟動和暖機特性，加熱塞的供電壓由CDI控制單元根據(jù)時間和溫度通過加熱輸出級來調(diào)節(jié)。

圖12 皮帶傳動

圖13 加熱塞

三、燃油供應系統(tǒng)

M651發(fā)動機的燃油供應系統(tǒng)由低壓油路和高壓油路組成。

1.低壓油路：燃油泵輸送所需壓力的燃油，經(jīng)帶有加熱元件的燃油濾清器后，到達高壓泵。

(1)燃油泵(M3/3、M3/5)：如圖14所示，帶油位傳感器由CDI控制單元通過繼電器促動或燃油泵控制單元直接促動，產(chǎn)生并輸送壓力為4.0bar左右的燃油，經(jīng)帶燃油濾清器過濾后，到達高壓泵。

(2)加熱元件：集成在燃油濾清器上，確保在低溫時的燃油流量。

2.高壓油路：如圖15所示，低壓燃油進入高壓泵后，高壓泵將其壓縮至高壓，然后存儲在共同的油軌中，通過噴油嘴直接噴入缸內(nèi)，油軌壓力通過壓力傳感器監(jiān)測，由壓力調(diào)節(jié)閥和流量控制閥調(diào)節(jié)。

圖14 燃油泵

(1)高壓泵(M41/3)：位于曲軸箱左后側(cè)，驅(qū)動齒輪以75%的曲軸轉(zhuǎn)速驅(qū)動，將低壓燃油壓縮成高壓；在泵上集成了一根喉管，用于抽吸噴油嘴泄漏的燃油。

(2)流量控制閥(Y94/3)：根據(jù)CDI控制單元的信號，控制進入高壓泵的燃油流量，并與壓力調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)油軌壓力。

圖15 高壓油路

(3)壓力調(diào)節(jié)閥(Y74/5)：根據(jù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，與流量控制閥共同調(diào)節(jié)油軌壓力。

(4)噴油嘴：作為新的共軌技術(shù)的重要元件，壓電式噴油嘴取得了全新的發(fā)展，噴油嘴由壓電陶瓷促動模塊促動。與傳統(tǒng)的噴油嘴相比，壓電式噴油嘴更快的將燃油噴入燃燒室，霧化更好更精確。噴油量取決于油軌壓力和噴射時間，如圖16所示，在每個噴油嘴的頂部，均有1個20位的代碼，指示各噴油嘴的流量特性，在更換噴油嘴后，必須通過診斷儀進行匹配。

圖16 噴油嘴

(5)油軌壓力傳感器(B4/16)：在油軌末端，監(jiān)測油軌的當前壓力，并傳送至CDI控制單元。

四、渦輪增壓

M651不斷發(fā)展渦輪增壓技術(shù)，部分發(fā)動機裝備了兩級渦輪增壓。如圖17、18所示，該增壓系統(tǒng)合并為兩個大小不同的增壓器和一個旁通控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速時的較高輸出扭矩，具有啟動更平穩(wěn)、啟動不會遲緩、行駛性能更好、加速良好、高壓渦輪增壓器被設(shè)計為在低轉(zhuǎn)速內(nèi)快速建立較高的增壓壓力、低壓渦輪增壓器被設(shè)計為在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過高速氣流快速建立較高的增壓壓力及低壓渦輪增壓器被設(shè)計為在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過高速氣流快速建立較高的增壓壓力的優(yōu)點。

圖17 雙渦輪增壓器

圖18 增壓空氣路徑

1.增壓簡介

廢氣流通過排氣歧管沖到渦輪上，驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動。壓縮機葉輪通過剛性軸連接到渦輪上，以相同的速度被帶動，吸入的干凈空氣經(jīng)葉輪壓縮后進入發(fā)動機。增壓壓力通過升壓控制翻板、排氣門和增壓旁通翻板進行調(diào)節(jié)。

2.增壓壓力控制

增壓壓力通過升壓控制翻板轉(zhuǎn)換閥、排氣門壓力轉(zhuǎn)換閥和增壓旁通翻板轉(zhuǎn)換閥，以電子氣動的方式控制；電磁閥由ME通過PWM信號控制，其原理與272發(fā)動機的二次空氣噴射轉(zhuǎn)換閥相同，在此借用該轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)圖來理解：如圖19所示，當電磁閥被促動時，固定板a由線圈吸出，并且密封橡膠塊f關(guān)閉通風口，通道2和3之間的連接被打開，這樣從真空單元到儲存罐之間的真空就被建立。在沒有電壓供應的情況下，a在彈簧b的作用下回位，關(guān)閉通道2，這樣，通道1和3之間的連接再次被建立，即通道3通風。

圖19 轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)

3.真空供應

真空泵由曲軸驅(qū)動，產(chǎn)生所需的真空，電磁閥通過軟管連接到真空儲存罐上，?其中2個壓力轉(zhuǎn)化閥通過共同的通風過濾器與大氣壓相通。如圖20所示，當Y132被促動時，真空作用在旁通真空單元的翻板上，從而打開旁通管道，使部分廢氣流過廢氣再循環(huán)冷卻器；當Y31/4被促動時，真空作用在排氣門真空單元上，并持續(xù)打開低壓渦輪增壓器中的排氣門，這樣使部分廢氣流繞過低壓渦輪增壓器，進入尾氣系統(tǒng)；當Y93被促動時，真空作用在升壓控制翻板真空單元上，并逐漸打開高壓渦輪增壓器中的升壓控制翻板，這樣使部分廢氣流繞過高壓渦輪增壓器，進入低壓渦輪增壓器。

圖20 旁通回路工作原理